CFG桩复合地基原理与施工技术讲义讲稿

CFG桩复合地基原理与施工技术CFG桩复合地基概述桩体材料及有关参数加固机理及设计CFG桩施工1.CFG桩复合地基概述CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩(CementFlyashGravelPile)的简称，由碎石、石屑、粉煤灰掺适量水泥加水拌合，用振动沉管打桩机或其它成桩机具制成的一种具有一定粘结强度的桩。桩体主体材料为碎石，石屑为中等粒径骨料，可改善级配，粉煤灰具有细骨料和低标号水泥作用。通过调整水泥掺量和配合比，桩体强度可在C5～C20之间变化，一般为C5～C10。CFG桩是在碎石桩的基础上发展起来的，属复合地基刚性桩。复合地基根据材料特性可分为：散体材料桩复合地基——桩周土强度柔性桩复合地基——桩周土强度、桩身材料强度刚性桩复合地基——桩周土强度CFG桩由于自身具有一定的粘结性，故可在全长范围内受力，能充分发挥桩周摩阻力和端承力，桩土应力比高一般为10～40。复合地基承载力的提高幅度较大，并有沉降小，稳CFG桩可用于加固填土、饱和及非饱和粘性土、松散的砂土、粉土等。对塑性指数高的饱和软粘土使用要慎重。2.桩体材料及有关参数CFG桩由碎石、粉煤灰、水泥、石屑加水拌和形成。各种材料之间的配合比对混合料的强度及和易性有很大影响。一般水泥采用32.5Mpa普通水泥，碎石粒径20～50mm,石屑粒径2.5～10mm,混合料密度2.1～2.2t/m3。碎石料之间一般为点接触，接触比表面积小，桩体抗剪强度较低。在碎石料中掺入中等粒度的石屑后，可改善级配，增大接触比表面积，提高桩体的抗剪强度。石屑的掺量可用石屑率S来表示：G1、G2—单位立方混合料中石屑和碎石的质量。211GGGS根据有关试验资料，(W/C)和粉煤灰水泥之比(F/C)条件下，石屑率S与坍落度和强度之间的关系，石屑率都存在一个最佳值，过大或过小对坍落度和强度都不利。两者的最佳值比较接近，都在25%～30%范围内。不同水泥、对某一石屑率，不同水泥、粉煤灰掺量得出的混合料的立方抗压强度与水灰比W/C成反比。当石屑掺量为最佳石屑率时，控制混合料坍落度为30mm，根据不同水泥、粉煤灰掺量的配合比实验，如果增加粉煤灰的掺量，为了保证30mm的坍落度，混合料的需水量得增加；反之，需水量得减小。施工时，混合料要严格按设计配合比配备，搅拌时间不少于1min，碎石和石屑含杂质不超过5%。长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩施工的坍落度宜为160～200mm,振动沉管灌注桩施工的坍落度宜为30～50mm3.加固机理3.1一般原理CFG桩复合地基的加固机理包括置换作用和挤密作用，其中以置换作用为主。当CFG桩用于挤密效果好的土层时，既有置换作用，又有挤密作用，当用于挤密效果差的土层时，只有置换作用。CFG桩与碎石桩的差别之一在于CFG桩可全长受力，桩土应力比大，而且具有很大的可调性，在软土中可高达100左右。CFG复合地基中由桩承担的荷载一般为40%～75%，提高承载力的幅度可达4倍或更高。05101520250246810Ep(103MPa)n3.2褥垫与CFG桩的共同作用δpδps褥垫由散体材料组成，可提供向上贯入的条件来调整桩土应力比，实现桩土协调变形。CFG桩褥垫有如下几种作用：保证桩、在桩基中，当承台承受竖向荷载时，对摩擦桩，承台产生沉降，使桩间土发挥一定的承载能力，且变形越大，桩距越大，作用越明显，但与桩间土承载能力相比，所占比例很小；对端承桩，承台沉降变形一般很小，桩间土承载能力很难发挥。CFG复合地基的设计原则是充分利用桩间土的垂直和水平承载能力。由于CFG桩复合地基的置换率一般不大于10%，其余不小于90%的基底面积为桩间土，总荷载扣除桩间土承担的荷载后就是CFG桩应承担的荷载。显然，遵循这一设计原则，可大量减少桩的数量，再加上CFG桩不消耗钢筋，桩体利用工业废料和石屑作为掺合料，水泥用量少，可大大降低工程造价。根据实测的桩土应力比ｎ与褥垫层厚度ΔH的变化关系，当褥层厚度很小时，桩对基础底面产生应力集中。但当褥垫厚度大于10cm时，应力集中明显降低(桩土应力比约为6)，当褥垫层厚度为30cm时，桩土应力比降为1.23。由有关试验测得的结果，当荷载一定时，褥垫越厚土承担的荷载越多；褥垫厚度一定时，荷载越大，桩承担的荷载所占比例增大。褥垫层厚度可以调整桩、土水平荷载分担比有关实验表明，褥垫厚度越大，桩顶水平位移越小，当褥垫厚度不小于10cm时，桩体不会发生水平折断。3.3CFG桩荷载传递特征桩基中，桩顶以下桩各部位的位移都大于相应部位土的位移，桩侧土体对桩产生与桩位移相反方向的侧阻力，即正摩擦力。桩的最大轴力发生在桩的顶部。CFG桩复合地基则不同，任一荷载下桩顶的沉降、桩间土表面以及基础的沉降均不相同。δpδps在某一深度Z0范围内，土的位移大于桩的位移。土对桩产生的摩擦力方向与桩沉降方向一致，即所谓的负摩擦力。Z0处桩的位移和土的位移相等，该断面所处位置为中性点。当Z〉Z0时，桩的位移大于土的位移，土对桩产生的是正摩阻力。由于褥垫层的设置．无论桩端落在软土层还是硬土层。从加荷一开始就存在一个负摩擦区。在桩基中，负摩擦对桩的承载能力会产生不利的影响，而在CFG桩复合地基中，土对桩的负摩擦作用对复合地基并非有害．它对提高桩间土的承载力，减少复合地基的沉降变形起着有益的作用。3.4CFG桩复合地基设计一、CFG桩复合地基的设计内容包括桩径、桩距、桩长、承载力计算、变形计算和褥垫厚度。⑴一般桩径为350～600mm，由施工设备的桩管决定。CFG桩常采用振动沉管法施工。⑵桩距的大小取决于设计要求的地基承载力、布桩形式、土质与施工机具等，但还要考虑到施工的可行性。复合地基承载力β—桩间土强度折减系数，无经验时可取β=0.75～0.95。⑷CFG①由单桩静载试验确定：Ra=Ru/k②计算确定，按下式估算：⑸一般取15～30cm为宜。kskpkspfmmff...)1(.ppisipaqAlquR⑹复合地基总沉降量分为加固区的沉降和未加固区的沉降.未加固区的沉降—分层总和法加固区的沉降—应力修正法(沉降折减法)复合模量法桩身压缩量法4.CFG桩施工4.1CFG桩施工工艺概述CFG桩复合地基于1988年提出并用于工程实践，首先选用的是振动沉管施工工艺，这是因为振动沉管打桩机在我国拥有量较多，分布也较广。90年代末期，中国建科院研制了专门用于打设CFG桩的长螺旋钻管内泵压CFG桩施工设备。目前，用于工程实践的设备和工艺有：振动沉管施工工艺长螺旋钻管内泵压CFG桩施工工艺长螺旋钻孔灌注桩施工工艺人工或机械洛阳铲成桩工艺泥浆护壁钻孔灌注桩施工工艺4.2振动沉管施工工艺施工准备施工前应具备的资料和条件:⑴场地工程地质勘察报告;⑵CFG桩布桩图。应注明桩位编号、设计说明和施工说明。⑶场地邻近的高压电缆、地下管线、地下构筑物和障碍物等调查资料。⑷场地的水准控制点和线路控制坐标。施工技术措施：⑴确定施工机具和配套设备；⑵制定材料供应计划。标明所用材料的规格、技术要求和数量；⑶进行试成孔，复核地质资料以及设备、工艺的适用性，核定或调整技术参数；⑷按施工平面图放好桩位；⑸确定施打顺序；⑹复核测量基线、水准点及桩的轴线定位点，检查场地所设的水准点是否受施工影响；⑺打桩机沉管表面应有明显的进尺标记。施工流程(1)①根据设计桩长、成管入土深度确定机架高度和沉管长度，并进行设备组装；②桩机就位，桩管保持垂直，垂直度偏差不大于1%③若采用预制钢筋砼桩尖，需埋入地表以下300mm④开始沉管。启动马达，沉管到预定标高、停机。⑤记录激振电流变化情况。一般可1m记录一次。(3)①拔管前，应在原位留振约10s②控制拔管速度，一般1.2～1.5m/min较合适。拔管过快易造成局部缩颈或断桩；拔管太慢、振动时间过长，会使桩顶浮浆增厚，易使混合料离析。(2)沉管至设计标高后须尽快投料，直到管内混合料与钢管投料口齐。若投料量不够，应在拔管过程中空中投料，以保证成桩桩顶标高满足设计要求。(3)①拔管前，启动马达在原位留振约5-10s再拔管。②控制拔管速度，一般1.2～1.5m/min较合适。拔管过快易造成局部缩颈或断桩；拔管太慢、振动时间过长，会使桩顶浮浆增厚，易使混合料离析。⑷沉管拔出地面，确认成桩符合设计要求后，用粒状材料或湿粘性土封顶。⑸施工过程中，抽样做混合料试块，一般一个台班一组，尺寸150mm×150mm×150mm,并测定28天抗压强度。施工常见问题及对策施工常见问题⑴施工扰动对土强度的影响根据振动沉管成桩工艺对土密实性的影响，可将地基土分为三类：挤密效果好的土：松散填土、粉土、砂土等；可挤密的土：塑性指数不大的松散的粉质粘土和非饱和粘性土；挤密效果差的土：塑性指数高的饱和软粘土和淤泥质土。土的密实度对土的挤密性影响很大：密实的砂土或粉土，产生剪胀，由密变松。松散的砂土或粉土，孔隙减小，由松变密。⑵缩径和断桩在饱和软土中施工施工时，在地基土中将产生超孔隙水压力，沿水平方向衰减较快。当采用连打作业时，孔隙水压力来不及消散，对邻桩产生挤压，使得已打桩被挤成椭圆形或不规则形，严重的会产生缩径和断桩。在上部有较硬的土层或中间夹有硬土层的土中成桩，施工产生的振动力较大，邻桩易出现振动破坏。采用隔桩跳打工艺，若已打桩结硬但强度不高，在中间补打新桩时，已打桩有时会被振裂。⑶桩体强度不均桩机卷扬机提升沉管速度太快，为控制平均速度，提升—留振缩径、断桩离析桩身强度不均⑷桩料与土的混合采用活瓣桩靴成桩，当桩靴开口打开的宽度不够，混合料下落不充分桩端与接触不密实或桩端较小。若采用反插法，桩管垂直度难保证，桩身易掺土。对策1、控制拔管速度太快缩径、断桩太慢混合料离析，桩顶浮浆多现场试验：沉管φ377mm，投料量1.8m31.2m/min开挖桩径380mm2.5m/min开挖桩径360mm0.8m/min桩顶浮浆多，桩身强度低合理的拔管速度：1.2—1.5m/min注意：拔管速度指线速度，不是平均速度。除启动后5-10s，拔管过程中不再留振，不得反插。若桩机卷扬速度较快，可增加卷扬系统中动滑轮数量或通过电动机-减速箱系统调整。2、合理布置桩距桩距的确定需要考虑以下因素：承载力、沉降；施工影响；经济性⑴试验表明，其它条件相同时，桩距越小，复合地基承载力越高；当桩距＜4d，提高幅度不明显。故，从桩土作用考虑，桩距一般≥4d。⑵挤密效果好的土，施工振动使土体密度增加，场地下沉;不可挤密土,地表隆起,桩距越小，隆起量越大。桩距越大，施工质量越容易控制。3、确定施打顺序连续施打间隔跳打在确定施打顺序时，要考虑土性和桩距。软土中，桩距较大，可采用隔桩跳打；在饱和松散粉土、粉砂中施工，若桩距小，不宜采用隔桩跳打。松密，加大沉管难度和易形成断桩。对大面积布桩，采用由中心向外或一边向一边推进的施工顺序，不应由外向中心推进土体隆起、断桩4、混合料坍落度坍落度过大，桩顶浮浆多，桩身强度降低过小，和易性差混合料坍落度控制在3—5cm，和易性好，拔管速度合理，浮浆可控制在10cm，质量容易保证。施工质量控制措施⑴施工前的工艺试验目的:施打顺序和桩距能否保证桩身质量.方法：在桩顶表面埋设标杆，观测桩顶位移量。内容：新打桩对未结硬已打桩的影响。上升量与桩身直径的关系。新打桩对已结硬已打桩的影响。上升量＜1cm。⑵施工监测信息化施工及时发现施工过程中的问题分析措施观测内容：施工场地标高观测。施工前测量场地标高，施工过程中随时测量地面是否隆起。桩顶标高的观测。注意已打桩桩顶标高变化，特别桩距小的桩。对桩顶上升量大的桩开挖检查。4.3长螺旋钻管内泵压CFG桩施工工艺该工艺由长螺旋钻机、混泥土泵和强制式搅拌机组成。存在的主要问题：⑴堵管。原因：a.混合料配合比不合理。b.坍落度不合理。太大离析，泌水骨料与砂浆分离c.设备缺陷。弯头、管接头、钻头⑵窜孔在饱和粉土、粉细砂中施工常出现。⑶钻头阀门打不开。⑷现提料后泵送。4.4施工工艺对比振动沉管施工工艺优点：施工操作简便，施工费用低，对桩间土挤密效果显著。缺点：对